Physique quantique et

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ans les programmes de spécialité en vigueur dans le cycle terminal des lycées, la phy-

sique quantique prend une place plus modeste que par le passé. Sans vraiment la désigner
comme telle, on retient essentiellement quelques idées fortes qui sont mises à contribution
pour leur portée expérimentale : l’aspect ondulatoire / corpusculaire de la lumière avec l’effet
photoélectrique, la quantification du rayonnement et le photon, les mécanismes d’émission et
d’absorption d’un rayonnement visible ou invisible, les niveaux d’énergie quantifiés d’un atome.
Nous nous attacherons ici à illustrer ces deux derniers points. La physique des photocapteurs n’est
pas abordée dans cette fiche, tant ce domaine est riche d’applications pratiques qui méritent un
traitement à part.
1. NIVEAUX D’ÉNERGIE D’UN ATOME : RUDIMENTS

Il existe peu de sites accessibles aux élèves pour proposer les rudiments de physique quantique. Il est donc à noter que le projet Khan Academy offre pour cette partie
un accompagnement de qualité et en français pour les élèves désireux de se former en
ligne.

Figure 1 - Projet Khan Academy - Physique quantique.

Des physiciens du CNRS (Centre national de la recherche scientifique) et de
l’Université de Paris ont réalisé un site web pour fournir aux enseignants du secondaire
des éléments simples et des outils graphiques pour « montrer » la quantique. On peut
notamment y télécharger en haute définition les vidéos illustrant quelques concepts
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Physique quantique et niveaux d’énergie d’un atome

Physique quantique et niveaux d’énergie
d’un atome

de base de la physique quantique. Le site est également destiné au grand public pour
montrer les applications et les recherches associées à la physique quantique, et peut
donc être suggéré aux élèves.

Figure 2 - Portail du site « Tout est quantique ».

2. NIVEAUX D’ÉNERGIE D’UN ATOME : DU BON USAGE
D’UNE TABLE SPECTROSCOPIQUE
Pour les valeurs des énergies attachées aux niveaux quantifiés accessibles à un
atome, qu’il soit neutre ou ionisé, un des problèmes majeurs auxquels on est confronté
quand on parcourt les livres scolaires, c’est de s’assurer de la pertinence des données
fournies.
Le seul modèle proposé aux élèves de lycée est le modèle « hydrogénoïde », mais
on sait qu’il est difficilement transposable aux atomes comportant plusieurs électrons.
Pour rendre compte des déterminations expérimentales des valeurs des niveaux d’énergie estimées à partir des mesures de longueurs d’onde des transitions observées, on
élabore en spectroscopie des modèles complexes qui prennent en compte les différentes
interactions qui surviennent dès que l’on s’attaque à un modèle d’atome comportant
plusieurs électrons. Il en résulte des notations particulières, appelés « termes spectraux »
qui rendent plus difficile l’identification des niveaux si l’on se contente du seul nombre
quantique principal.
Il est quand même assez facile de s’assurer de la pertinence des valeurs des niveaux
d’énergie d’un atome et des longueurs d’onde des radiations émises, en utilisant à bon
escient les bases de données publiques établies en spectroscopie. Il en existe une qui est
LA référence pour la spectroscopie, celle du NIST (National Institute of Standards and
Technology) (cf. figure 3, page ci-contre).
2.1. Présentation de la base de données spectroscopiques du NIST
Toutes les bases de la spectroscopie sont détaillées selon le menu Atomic
Spectroscopy Info.
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Physique quantique et niveaux d’énergie d’un atome
Figure 3 - Portail de la base de données des spectres atomiques du NIST.

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L’unité d’énergie de prédilection reste le cm– 1 (!) lié au nombre d’onde v = m . Le
facteur de conversion utile est le suivant : 1 eV correspond à 8 065,544 45(69) cm– 1.
Pour les niveaux d’énergie d’un atome, la coutume est d’attribuer au niveau fondamental d’énergie la valeur « zéro » et aux niveaux les plus élevés celles relatives aux
ionisations de l’atome (on s’intéresse en général au niveau sur lequel est porté l’atome
pour sa première ionisation).
Si l’on veut garder une stratification des niveaux comme en cours de spécialité
de première, il faut donc décaler vers le bas toutes les valeurs des niveaux en leur
retranchant celle de première ionisation. Dans les formulaires de recherche, un atome
neutre X est saisi X?I (ou ? désigne une espace à placer entre le symbole et le chiffre
romain) ; ainsi Na I, désigne l’atome neutre de sodium. Un atome ionisé une fois sera
noté X?II, ainsi de suite (par exemple : Na II désigne l’ion Na+).
2.2. Exemple d’utilisation : le sodium Na I
Le menu Levels donne en centimètres (cm– 1) ou en électronvolts (eV) les niveaux
d’énergie accessibles à l’atome ou ion étudié (cf. figure 4, page ci-après).
Sur la figure 5 (cf. page ci-après), on a extrait les valeurs des tout premiers niveaux
de l’atome de sodium ainsi que celle qui correspond à l’énergie de première ionisation.
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Figure 4 - Formulaire de recherche des valeurs de niveaux d’énergie
d’un atome.

Figure 5 - Premiers niveaux d’énergie de l’atome de sodium et énergie
de première ionisation.

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Figure 6 - Requête relative aux raies d’émission de l’atome de sodium.

Toutes les raies d’émission recensées ne sont pas observées avec la même probabilité. La colonne « intensité relative » permet ainsi de repérer les plus intenses. C’est
le cas du doublet jaune du sodium qui, dans cette partie du spectre, constitue les raies
d’émission les plus significatives.

Figure 7 - Raies d’émission du sodium dans la partie du spectre visible
s’étalant de 500 nm à 600 nm

Extrayons le doublet jaune du sodium
Il y a deux raies d’émission à 588,995 nm et 589,592 nm pour des transitions
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Physique quantique et niveaux d’énergie d’un atome

Le menu Lines permet de connaître toutes les transitions possibles, dans cet
exemple pour l’atome neutre de sodium. On peut n’explorer qu’une partie du spectre
d’émission, ici comprise entre 500 et 600 nm, qui comporte dans cette bande un très
grand nombre de transitions optiques entraînant l’émission de radiations visibles, dont
le célèbre doublet jaune !

s’opérant entre les niveaux 2p63p et 2p63s (niveau fondamental). Les niveaux excités ont
pour valeur 16 973,366 19 et 16 956,170 25 cm– 1 soit encore : 2,104 eV et 2,102 eV,
valeurs qui sont aussi celles données dans la base Levels. Et donc pour nos élèves, on
aurait :
E 1 = – 5, 139 eV ,
? niveau fondamental :
? premiers niveaux excités :
E 2 = (2, 102 – 5, 139) = – 3, 037 eV et E 3 = (2, 104 – 5, 139) = – 3, 035 eV.
Ce sont les transitions notées en spectroscopie par les termes spectraux 2P3/2 et 2P1/2
vers 2S1/.2 que l’on note parfois 3P3/2 et 3P1/2 vers 3S1/.2 et qui, dans le modèle à couches
et sous-couches que l’on présente aux élèves de spécialité, correspondent aux transitions
de l’électron externe de l’état excité 3p vers l’état 3s.
2.3. En conclusion
Par ces tables, il est donc relativement aisé de déterminer, pour un élément
chimique donné, l’ensemble des radiations émises dans le visible, mais aussi dans
l’ultraviolet et l’infrarouge, en extrayant leurs longueurs d’onde (considérées dans l’air
pour celles comprises en particulier dans le visible) avec une grande précision tout en
leur associant les énergies des états entre lesquels s’opèrent ces transitions. Se pose alors
l’estimation de l’indice de l’air qui se doit être la plus précise possible ; le NIST procède
ainsi. Lire en particulier la section suivante sur cette page : « Conversion between air
and vacuum wavelengths ».
3. VU DANS LE BUP : QUANTIQUE
Dans cette rubrique, nous citons quelques articles récents du Bup qui apportent
un éclairage utile sur l’historique et les fondements de la quantique. Nous n’avons
retenu que les articles qui nous paraissent les plus accessibles à un public non spécialiste
et, si possible, les moins calculatoires.
Chaque article sélectionné est référencé, avec un court résumé de présentation.
? Bernard Pourprix, « Comprend-on vraiment la physique quantique ? », Bull. Un.
Prof. Phys. Chim., vol. 114, n° 1023, p. 343-356, avril 2020.
« Personne ne comprend vraiment la physique quantique », écrivait le physicien Richard Feynman en 1965. À toutes les étapes de sa construction, et malgré ses succès pratiques considérables, la physique quantique est toujours apparue mystérieuse, même aux yeux des physiciens
spécialistes. De nos jours, on continue de s’interroger sur ses principes fondamentaux. La
transition entre quantique et classique est encore un sujet de recherche. Toutefois, il est incontestable que la manipulation de particules individuelles permet aujourd’hui une meilleure maîtrise
intellectuelle et technologique du monde quantique.
? Claude Cohen-Tannoudji, « Manipuler les atomes au moyen de la lumière », Bull.
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? Belkacem Boulil, « Pourquoi l’électron de l’atome d’hydrogène ne tombe-t-il pas
sur le noyau ? », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 108, n° 964, p. 753-761, mai 2014.
Cet article présente deux approches tentant de justifier la stabilité de l’atome d’hydrogène. Le
couplage entre le champ électromagnétique du vide et l’électron dans l’orbite de Bohr assure la
stabilité du système : l’énergie rayonnée par l’électron, qui devrait le conduire à s’effondrer sur
le noyau, est compensée par l’énergie qu’il absorbe des fluctuations du point zéro du vide, lui
assurant ainsi de conserver son orbite stationnaire.
? Richard Monvoisin, « Quantoc : l’art d’accommoder le mot quantique à toutes les
sauces », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 105, n° 935, p. 679-700, juin 2011.
Dans cet article seront abordés sommairement quelques éléments des théories quantiques et
de leurs avatars pseudo scientifiques, puis une série de concepts physiques plutôt malmenés.
Nous aborderons le problème des surinterprétations dont ce domaine est l’objet, puis quelques
exemples de détournements idéologiques pouvant avoir des conséquences graves. Enfin, nous
tenterons de cerner des responsabilités, et il faudra se rendre à l’évidence que les médias de
vulgarisation jouent hélas un rôle non négligeable dans la diffusion de pseudo-informations.
? Bernard Pourprix, « La naissance de la physique quantique : rupture et continuité »,
Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 104, n° 928, p. 1037-1050, novembre 2010.
La physique quantique paraît aujourd’hui en rupture totale avec la physique classique, et l’on
est tenté de croire que les premiers acteurs de cette révolution scientifique ont tout de suite renoncé aux anciens modes de pensée. Il n’en est rien. La physique quantique n’est pas une création
soudaine, sortie du néant. Elle est née, aux confins de la science classique, des efforts obstinés
d’exploration des interactions rayonnement-matière. Le but de cet article est de discuter quelques
idées reçues. Max Planck, en 1900, découvre-t-il vraiment les quanta ? Albert Einstein, en
1905, est-il le promoteur d’une vision radicalement nouvelle du monde microscopique ? Niels
Bohr, dans les années 1910-1925, parvient-il à une description quantique des phénomènes
atomiques en rompant d’emblée avec les conceptions classiques ?
? Gaël Stevens, « La mécanique quantique et la notion de réalité », Bull. Un. Prof. Phys.
Chim., vol. 104, n° 924, p. 533-546, mai 2010.
Les résultats de la mécanique quantique sont parfois difficiles à concevoir, même – et surtout –
lorsqu’ils s’expriment clairement : ils semblent déconnectés de notre réalité familière. Ils nous
invitent à cette occasion à réfléchir sur la portée de la physique elle-même, et notamment sur
sa capacité à expliquer la réalité. Cet article se propose de revenir sur les principales singularités qu’a introduites la physique quantique par rapport à la physique classique, pour ensuite
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Physique quantique et niveaux d’énergie d’un atome

Un. Prof. Phys. Chim., vol. 112, n° 1000, p. 235-237, janvier 2018.
Comprendre les interactions électromagnétiques qui sont à l’origine de l’émission et de l’absorption de lumière par les atomes a toujours été une préoccupation essentielle de la physique et a
débouché sur l’élaboration d’une nouvelle mécanique, la mécanique quantique, qui a transformé
notre représentation du monde microscopique. L’étude, de plus en plus précise, de la lumière
émise et absorbée par les atomes est devenue ainsi une source essentielle d’informations sur la
structure et la dynamique de ces systèmes, sur les milieux dans lesquels ils sont plongés, parfois
aux confins de notre Univers.

examiner les tentatives d’explication et les différentes interprétations avancées pour essayer de
recoller à la réalité.
? Alain Aspect et Philippe Grangier, « Des intuitions d’Einstein à l’information quantique : les stupéfiantes propriétés de l’intrication », Bull. Un. Prof. Phys. Chim.,
vol. 99, n° 875, p. 33-39, juin 2005.
En 1935, dans un article célèbre, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen introduisent la notion d’état intriqué, dans lequel deux particules présentent des corrélations fortes
même si elles sont très éloignées. Ils en concluent que le formalisme quantique doit être complété,
ce que Niels Bohr conteste aussitôt. Il faudra attendre presque trente ans pour que John Bell
montre que ces points de vue contradictoires conduisent en fait à des prédictions discriminables
quantitativement à l’aide d’inégalités. Réalisées à partir des années 1970, des expériences de
plus en plus précises, utilisant des paires de photons intriqués, ont donné raison à Niels Bohr.
? Jean-Claude Boudenot et Gilles Cohen-Tannoudji, « Max Planck et la naissance de
la mécanique quantique », Bull. Un. Phys., vol. 95, n° 831, p. 349-359, février 2001.
Max Planck représente à la fois le couronnement de la physique classique et la naissance d’un
Nouveau Monde : le monde quantique. En 1900, son article sur le rayonnement du corps noir
est le déclencheur de l’une des plus grandes révolutions scientifiques de tous les temps. Les trente
années qui suivent sont les plus riches de la physique ; Max Planck, Albert Einstein, Niels
Bohr, Arnold Sommerfeld, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul
Dirac, Max Born, Wolfgang Pauli… reconstruisent la physique sur de nouvelles bases sur fond
de conflit des générations. On retrace dans cet article la chronologie des événements scientifiques
tels que Max Planck les a vécus en les replaçant dans leurs contextes politique et social.
? UdPPC-Rédaction et SFP-Rédaction, « Le laser : 50 ans de découvertes », série de
quinze articles, Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 104, n° 927, p. 4-91, octobre 2010.
Le laser a cinquante ans. Suite à la première démonstration d’un effet laser par Theodore
Maiman en mai 1960, les lasers ont connu un développement exponentiel : les sources se sont
développées dans tous les domaines de longueur d’onde, établissant des records de monochromaticité, de cohérence spatiale et de pureté spectrale, de durée ultracourte d’impulsions lumineuses… Leurs applications ont été multiples en recherche fondamentale, dans l’industrie, dans
les télécommunications, en métrologie, en biologie et médecine… À cause de ces nombreuses
applications, le laser est devenu un élément de notre vie quotidienne. En tant que source lumineuse quasi idéale, il a aussi révolutionné l’enseignement des sciences physiques et de l’optique.
Pour célébrer les cinquante ans du laser, présenter les récentes avancées et décrire son impact
dans les sciences physiques et ses nombreuses applications dans les autres disciplines, la Société
française de physique et l’Union des professeurs de physique et de chimie ont uni leurs forces
pour publier un numéro spécial commun de leurs revues respectives, Reflets de la physique et
Le Bup physique-chimie.
? J. Gillod, « L’effet photoélectrique et ses applications : journées d’étude de physique », Bull. Un. Phys., vol. 40, n° 367-368-369 (2), p. 63-79, mai-juin-juillet 1948.
Une visite dans les archives du Bup qui s’avère passionnante : c’est une conférence donnée à la
Sorbonne en 1948 qui présente toutes les particularités de l’effet photoélectrique, avec une de
ses premières applications : la cellule à vide photoélectrique.
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